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Anordnung zur Verstärkung und Erzeugung ungedämpfter elektrischer,
insbesondere ultrakurzwelliger Schwingungen nach dem Quersteuerprinzip Aus verschiedenen
Gründen lassen sich die normalen Entladungsröhren mit Raumladungssteuerung nur unterhalb
einer gewissen Grenzfrequenz verwenden. Auch unterhalb der Grenzfrequenz ist ihre
Verwendbarkeit durch den geringen Wirkungsgrad, den sie bei hohen Frequenzen besitzen,
sehr beschränkt. Wird nämlich die Laufzeit der Elektronen zwischen Steuergitter
und Anode größer als die Schwingungszeit der dem Gitter zugeführten Wechselspannungen,
dann sind im Raume zwischen Gitter und Anode gleichzeitig Raumladungsüberschuß-
wie Raumladungsunterschußgebiete (Bäuche und Knoten einer longitudinalen Raumladungswelle)
vorhanden, die sich auf die Anode zu bewegen. Die in der Anode influenzierten Ladungen
sind gleich der Differenz der vor den Knoten und Bäuchen influenzierten Teil= Ladungen.
Diese Differenz geht gegen Null, wenn die Frequenz und damit die Anzahl der gleichzeitig
vorhandenen Knoten, und Bäuche wächst.
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Wird in bekannter Weise nur die in der Anode influenzierte Ladung
benutzt, indem man diese so negativ macht, daß sie von den Elektronen nicht erreicht
werden kann, dann tritt dieser Nachteil natürlich erst recht auf. Da hierbei die
Raumladungsdichtawellen vor der Anode umkehren müssen, erhöht sich ihre Laufzeit
auf das Doppelte und damit auch die Zahl der gleichzeitig vorhandenen Bäuche und
Knoten. Die akkumulative Wirkung der Raumladungsdichtewellen, die eine grundsätzliche
Eigenschaft aller gittergesteuerten Elektronenröhren ist, kann vermieden werden,
wenn man die zur Schwingungserzeugung und Verstärkung bekannte Longitudinalsteuerung
ganz verläßt und zur Transversal-oder Quersteuerung übergeht. Hierzu wird von dem
an sich bekannten Prinzip der Influenzauskopplung Gebrauch gemacht. Während aber
bei der bekannten Anordnung eine Auskopplung im elektrischen Längsfeld durch die
verschiedenen Geschwindigkeiten der Elektronen im nicht quergesteuerten Strahl vorgenommen
wird, geschieht bei der Erfindung die Auskopplung der Energie aus der Längskomponente
der Bewegung durch die das O_uerfeld nach beiden Seiten abschließenden Streufelder.
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In der Abb. r ist eine derartige, an sich bekannte O_uersteuerröhre
schematisch wiedergegeben. Die Kathode K und die Beschleunigungselektrode A stellen
ein beliebiges Erzeugungssystem für einen Faden- oder Flachstrahl dar, welcher zwischen
den Ablenkplatten P und P' hindurchläuft und auf eine
der beiden
Anoden F und F', die zwischen. sich einen schmalen Spalt z freilassen, aufprallt.
Man erkennt sofort, daß bei Ablenkung des Strahles zu P oder P' hin der Elektronenstrom
entweder auf F oder auf F' übergeht, so daß die Wirkung der Querstewerröhre einer
Gegenkontaktanordnung gleichkommt. Da sich mit hinreichend großem Querformat und
großer geometrischer Übersetzung, d. h. mit großem Abstand zwischen P und F, eine
große Ablenkempfindlichkeit erzielen läßt, kann man mit kleinen. Ablenkspannungen
die Röhre voll aussteuern. An den Anodenwiderständen R und R' können daher sehr
viel höhere Spannungen, als den Ablenkplatten zugeführt werden, abgegriffen werden.
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Um die O_uersteuerröhre in eine Selbsterregerschaltung einzufügen,
kann jede beliebige Rückkopplung Verwendung finden. Da die Rückkoppelverhältnisse
auch bei der neuen, weiter unten zu beschreibenden Quersteuerröhre von großer Wichtigkeit
sein werden, sei an Hand der in Abb. :2 dargestellten einfachsten Form einer -galvanischen
Rückkopplung kurz darauf eingegangen.
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Die statischen Kennlinien der beschriebenen Quersteuerröhre, d. h.
die Ströme jeder Anodenhälfte in Abhängigkeit von dem Potential .der auf derselben
Seite gelegenen Ablenkplatte, sind natürlich steigend wie die Kennlinien von Raumladungssteuerröhren.
da der Strahl zu der positiven Ablenkplatte hin abgelenkt wird und der Strom in
der entsprechenden Anode ansteigt. Für die Rückkopplung gelten infolgedessen dieselben
Gesetze wie für normale Gegentaktschaltungen. Die vom Anodenkreis abgegriffenen
Steuerspannungen müssen den Ablenkplatten gegenphasig, d. h. unter Kreuzung der
Verbindungsleitungen, zugeführt werden. Besondere Abriegelorgane zur Fernhaltung
des Anodenpotentials von den Ablenkplatten sind an sich unnötig, weil für die Strahlablenkun.g
nur die Potentialdifferenz zwischen P und P' maßgebend ist. Dasselbe gilt auch bei
der kaskadenförmigen Hintereinanderschaltung mehrerer Ouersteuerröhren: Innerhalb
der Röhre tritt natürlich prinzipiell dieselbe Phasenverschiebung zwischen Steuerspannung
und Anodenwechselstrom auf wie bei allen Elektronenröhren. Weil der Abstand zwischen
P und F aus Gründen der .Empfindlichkeit im allgemeinen verhältnismäßig groß ist,
wird die Phasenverschiebung sogar noch viel größer als in Raumladungssteuerröhren
mit ihren sehr viel kleineren Elektrodenabständen.
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Da sich jedoch die innere Phasenverschiebung eliminieren läßt, bildet
sie keine Erschwerung für die Anfachung extrem hoher Frequenzen. Sehr viel wichtiger
ist demgegenüber der Umstand, daß es beim Ouersteuerprinzip in der vorliegenden
Form nicht mehr auf den dielektrischen Verschiebungsstrom mit allen seinen Begleiterscheinungen
ankommt, sondern daß hier ein fast reiner Konvektionsstrom vorliegt. Trotzdem zeigt
diese OOuerröhre ein Absinken des Anodenwechselstromes mit steigender Frequenz,
das aber nicht in einer akkumulativen Wirkung der Raumladungswellen, die hier ja
transversal sind, sondern in einer Verschmierung der Raumladung oder des Elektronenstrahles
in dem Streufeld um die Trennfuge z seine Ursache hat und mit den erzeugten Schwingspannungen
an den Anodenhälften F und F' zusammenhängt. Mit anderen Worten kann man diese Störerscheinungen
auch so charakterisieren, daß man den dynamischen Durchgriff oder die dynamische
Rückwirkung des Streufeldes betrachtet, die, sobald die Elektronenlaufzeit durch
das Streufeld der Anodenbleche eine Rolle spielt, so groß wird, daß die Selbsterregung
aussetzt.
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Schließlich besitzen auch die O_uersteuerröhren den gleichen Nachteil,
den die normalen Röhren mit Raumladungssteuerung aufweisen, daß nämlich einerseits
die Anoden klein sein müßten, wenn man ihre Kapazität niedrig halten will, daß sie
andererseits aber groß sein sollten, damit sie praktisch brauchbare Leistungen aufnehmen
können. Diese beiden Forderungen schließen sich gegenseitig aus, so daß jeweils
nur ein Kompromiß möglich ist. Auch sind die Anpassungsverhältnisse wegen der Mindestkapazität
der Anoden bei sehr hohen Frequenzen äußerst schwierig. Gerade die Anodenkanten
sind durch Erhitzung stark gefährdet, besonders dann, wenn man aus Gründen einer
möglichst hohen Stromstärke statt eines Fadenstrahles einen Flachstrahl mit sehr
viel größerem Querschnitt benutzt.
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Alle diese Nachteile werden durch die im folgenden beschriebene, den
eigentlichen Inhalt der vorliegenden Erfindung ausmachende Ouersteuerröhre in vollkommener
Weise beseitigt. Das Prinzip der Querablenkung ist auch bei der neuen Röhre beibehalten,
mir unterscheidet sie sich durch die Art, wie dem transversal schwingenden Kathodenstrahl
seine Hochfrequenzenergie entzogen wird, ohne daß die geschilderte Verschmierung
der Raumladung eintritt und ohne daß die Anoden überhaupt durch Elektronenaufprall
erhitzt werden.
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Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Verstärkung und Erzeugung
ungedämpfter elektrischer, insbesondere ultrakurzwelliger Schwingungen nach tdem
Ouersteu2rprinzip dadurch gekennzeichnet, daß ein
durch ein elektrisches
oder magnetisches Querfeld P, P' in transversale Schwingungen versetzter Kathodenstrahl
seine Schwingungsenergie durch Influenzwirkung an ein zweites Querfeld Q, Q' abgibt.
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In der Abb. 3 ist die neue Quersteuerröhre schematisch dargestellt.
Der Strahlerzeugungsteil K, A und die Ablenkplatten P und P' sind dieselben
geblieben wie in den Abb. z und z. Der Strahl durchläuft jedoch nach seinem Austritt
aus dem Steuerfeld P, P' ein zweites Plattenpaar Q und Q' und wird danach erst von
einer einzigen Fangelektrode F aufgefangen und abgeleitet. Die Platten Q und Q'
stellen nun die Anoden, d. h. die zur Entnahme der Schwingleistung bestimmten Elektroden
der neuen Röhre dar. Der Anodenstrom besitzt folgende Eigenschaften: Die Amplitude
ist proportional der Kreisfrequenz co, d. h. die Anordnung arbeitet statisch, bei
der Frequenz 0 überhaupt nicht, sondern wirkt erst von bestimmten Mindestfrequenzen
an und wird um so wirksamer, je mehr die Frequenz steigt. Dies gilt allerdings nur,
solange die Laufzeit der Elektronen für die Länge der Querfelder P, P' und Q, Q'
gegen die Schwingungsperiode vernachlässigbar bleibt, was durch entsprechende Bemessung
der Röhre und Wahl der Betriebsverhältnisse, in erster Linie der Strahlgeschwindigkeit,
angestrebt werden muß. Andernfalls findet auch . hier eine Kompensation der zwischen
den Platten befindlichen positiven und negativen. Transversalwellen der Raumladung
statt. Die Vor- und Nachgeschichte des Strahles während seiner Bewegung von
P, P' nach Q, Q' und von da nach F ist für den Verschiebungsstrom
belanglos. Die Empfindlichkeit der neuen Anordnung läßt sich -also durch Wahl der
geometrischen Abmessungen der Röhre praktisch unbegrenzt steigern, ohne daß irgendwelche
Störeffekte zu befürchten sind.
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Da die hochfrequenzführenden Anoden nicht vom Strahl selbst getroffen
werden und keine Verlustleistung die in Wärme umgesetzt werden muß, aufzunehmen
brauchen, werden sie in ihrer Größe durch thermische Erwägungen nicht begrenzt,
sondern können so klein gehalten werden, als es die Rücksicht auf optimale Strahlausnutzung
erfordert.
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Der Anodenwechselstrom ist um 9o° gegen die Schwingungsamplitude der
Raumladung im Querfeld Q, Q' verschoben, was bei der Einstellung der optimalen Phasenverhältnisse
mit berücksichtigt werden muß. Die gesamte Phasenverschiebung zwischen Anodenwechselstrom
und Steuerspannung setzt sich also aus zwei Komponenten zusammen, erstens den erwähnten
9o° und zweitens aus der Nacheilzeit der Elektronen in dem Auskoppelfeld Q, Q' gegenüber
dem Steuerfeld P, P'. Der hieraus resultierende Phasenwinkel errechnet sich aus
dem Abstand d zwischen P, P' und Q, Q', aus der Frequenz und der Strahlgeschwindigkeit
v zu
so daß man für den ganzen inneren Phasenwinkel der neuen Röhre erhält:
Hiernach hat man es in der Hand, die innere Phasenverschiebung für jede beliebige
Frequenz durch Wahl der Strahlgeschwindigkeit der jeweils -gewählten SelbsterregungsschaItung
entsprechend einzustellen. Infolgedessen ist man nicht mehr an eine bestimmte Phasenlage
der Rückkoppelspannung gebunden, sondern man kann, die beiden Querfelder
P, P' und Q, Q' auch z. B. durch nicht gekreuzte Leitungen miteinander
verbinden. Bei ultrakurzen Wellen erübrigen sich schließlich besondere Resonanzkreise,
vielmehr lassen sich die Kapazitäten der Querfeldplatten und die Induktivitäten
der paralleldrahtähnlichen Verbindungsleitungen sowohl bei der Selbsterregung als
auch bei der kaskadenförmigen Hochfrequenzverstärkung als Bauelemente der angefachten
oder der Koppelkreise verwenden, wie es beispielsweise die Abb.4 für den Fall der
galvanischen Rückkopplung erkennen läßt. Um die Drahtleitung D' nicht in ihrer mit
Rücksicht auf eine ausreichende Strahlablenkung zu wählenden Grundwelle (Spannungsverteilungskurve
s) anzuregen, können. durch geeignete Drahtbrücken B bestimmte Oberschwingungen
des Systems festgelegt werden. Die Paralleldrähte können innerhalb des Röhrengefäßes
angeordnet werden. Bei der Dimensionierung der Querfelder P, P' und Q, Q' sind die
Gesetze zu befolgen, die aus der Verwendung der Kathodenstrahl-Oszillographenröhre
bei sehr hohen Frequenzen bekannt sind. Danach wird .die Ablenkempfindlichkeit bekanntlich
ein Maximum, wenn die Länge der Querplatten gleich der Länge der im Verhältnis der
Strahlgeschwindigkeit v zur Lichtgeschwindigkeit c reduzierten Länge einer Halbwelle
in Luft, d. h. gleich
gewählt wird, was natürlich analog auch für das Abnahmequerfeld Q gilt. Nur durch
diese Gesetzmäßigkeit erfährt die Verarbeitung extrem hoher Frequenzen schließlich
eine Grenze, da sich bei zu starker Verkürzung der Querfelder die energetische Ausnutzung
des Elektronenstrahles mehr und mehr verschlechtert.
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Anstatt die Rückkoppelspannung über
Drahtleitungen
von den Ahnahmeplatten Q auf die Steuerplatten P zurückzuführen, kann man die Rückkopplung
auch über einen zweiten Elektronenstrahl vornehmen, der dem ersten Strahl entgegengesetzt
durch die Querfelder hindurchläuft. Auf diese Weise entsteht das in der Abb. 5 schematisch
angegebene Gegentaktschema. Darin sind zwei Einrichtungen zur Erzeugung zweier getrennter
Elektronenstrahlen, nämlich K und A sowie K' und A' vorgesehen, die zwei einander
entgegengerichtete Kathodenstrahlen El und E2 erzeugen, wobei die eine Beschleunigungselektrode
A, A' gleichzeitig die Auffangelektrode für den anderen Strahl darstellen kann.
Beide Strahlen durchsetzen die beiden Querfelder P und Q, deren Platten mit zwei
Induktivitätsbügeln verbunden und auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind. Entstehen
z. B. beim Einschaltstoß im Schwingungskreis S, Wechselspannungen, 'so -,werden
diese über den Strahl Ei in verstärktem Maße auf S2 übertragen und von hier über
E., auf S1 wieder verstärkt zurückgeführt, wodurch der Kreisprozeß geschlossen ist.
Diese Doppelgegentaktanordnung hat grundsätzlich den Vorzug, daß man den Abstand
der beiden Ouerfelder mit Rücksicht auf die geometrische Übersetzung der transv
ersalen Strahlschwingungen wählen kann, ohne durch die Impedanz oder Eigenschwingungen
der Rückkoppelleitungen beeinträchtigt werden.
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Alle die beschriebenen Querfeldsender lassen sich mit Hilfe der aus
der Fernsehtechnik bekannten Methoden zur Intensitätssteuerung des Kathodenstrahles
modulieren. Unter Umständen genügt freilich schon die einfache Modulation der Strahlbeschleunigungsspannung,
die ja in die Anfachungsbedingungen mit eingeht. In diesem Falle wird die Modulationsspannung
der an die Elektrode A angelegten positiven Spannung überlagert. Eine leistungslos
arbeitende Modulation wird möglich, wenn man. zwischen K und A eine negativ vorgespannte
Hilfselektrode, z. B. einen Wehneltzylinder, anordnet und dieser die Modulationsspannung
aufdrückt. Ein weiterer Vorteil des letztgenannten Verfahrens besteht in der unveränderten
Strahlgeschwindigkeit.
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In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde stets eine elektrostatische
Strahlablenkung mittels -des zwischen den Ablenkplatten P, P' erzeugten, Querfeldes
vorgesehen. Selbstverständlich erfüllt eine magnetische Ouersteuerung denselben
Zweck. In diesem Falle treten an die Stelle der Elektroden P, P' eine oder besser
zwei symmetrisch zum Elektronenstrahl gelegene Ablenkspulen, die vom Steuerstrom
durchflossen werden. Der Steuerstromkreis kann wieder als Resonanzkreis ausgebildet
und auf die zu erzeugende bzw. verstärkende Frequenz abgestimmt werden.